Modellkonzepte zur Optimierung und Risikominimierung der Untergrundnutzung im Kontext der Energieversorgung

Forschungsschwerpunkt am LH2

Modellkonzepte zur Optimierung und Risikominimierung der Untergrundnutzung im Kontext der Energieversorgung

Der natürliche Untergrund wird bereits in vielschichtiger Weise genutzt und gewinnt heutzutage an Bedeutung für verschiedenste Ingenieuranwendungen im Zusammenhang mit der Energieversorgung. Einerseits birgt der Untergrund mit den Grundwassersystemen die wichtigste und meist sauberste Trinkwasserquelle, andererseits lagern dort Rohstoffe wie Erdöl, Erdgas, Kohle, etc. Darüberhinaus kann der Untergrund als kurz-, mittel- oder auch langfristiges Speichermedium für Energie in unterschiedlicher Form dienen oder sogar als End- oder Zwischenlager für Abfälle oder natürliche Stoffe. Zu solchen Untergrundnutzungen gehören die Speicherung von Energie, z.B. in Form von Methan (CH4) sowie die dauerhafte Speicherung von Kohlendioxid (CO2) aus Gründen des Klimaschutzes. Des Weiteren rückt der Untergrund als natürliche Energiequelle zunehmend in den Mittelpunkt des Interesses. Stichworte sind hier z.B. die Gewinnung von fossilem Methan durch Hydraulic Fracturing oder die Nutzung von Erdwärme als regenerative Energiequelle. Der Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung (LH2) beteiligte sich in den vergangenen Jahren recht intensiv an Forschungsarbeiten zum Thema CO2-Speicherung, mit mehreren Projekten vorwiegend finanziert im Rahmen des BMBF/DFG Sonderprogramms GEOTECHNOLOGIEN (www.geotechnologien.de). Der Schwerpunkt dieser Arbeiten am LH2 lag dabei zunächst auf der Entwicklung von Modellkonzepten zur Simulation von Mehrphasenströmungen, die die zugrundeliegenden Prozesse in ihrer zum Teil großen Komplexität abbilden können. Wesentlich sind dabei die mathematische und numerische Umsetzung thermodynamischer Vorgänge wie Dichte- und Viskositätsänderungen in Abhängigkeit von Druck, Temperatur, Konzentrationen, etc., außerdem die Beschreibung von Löslichkeiten und gegenseitigen Mischbarkeiten im Mehrphasen-Mehrkomponenten-System. Die Implementierung dieser Ansätze erfolgt seit 2008 im Rahmen des Programmpakets DuMux (www.dumux.org). Die Anwendung der genannten Modellkonzepte ist von großer Bedeutung, um Fragestellungen bezüglich Machbarkeit, Risiken, Speicherkapazitäten, Sensitivitäten etc. untersuchen zu können. Die Arbeiten des LH2 im Rahmen dieses Themenkomplexes befassen sich darüber hinaus mit der Beschreibung großskaliger komplexer Geometrien sowie deren Vernetzung mit leistungsfähigen Netzgeneratoren. Mittlerweile hat sich der Schwerpunkt der Arbeiten verbreitert. Es werden unterschiedliche Anwendungen wie Hydraulic Fracturing oder die stoffliche Speicherung von Energie, z.B. in Form von Methan, im Untergrund untersucht. Dazu müssen die konzeptionellen Erfordernisse erweitert werden. Es sind verstärkt auch geomechanische Prozesse, Verformungen, Rissbildung und Strömung durch geklüftet-poröse Medien zu betrachten. Zudem sind durch die Nutzung des Untergrunds verursachte geochemische Prozesse zu berücksichtigen, da diese vor allem durch Lösung oder Fällung von Mineralen die hydraulischen Eigenschaften der porösen Medien erheblich verändern können. Ebenso ist die zeitliche und räumliche Kopplung von Modellen unterschiedlicher Komplexität (Multi-Physics/ Multi-Scale) von Bedeutung, um die Rechenzeiten für große räumliche und zeitliche Skalen möglichst zu verringern. Die Modelle in Dumux werden dementsprechend im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte weiterentwickelt.

Am Forschungsschwerpunkt beteiligte Wissenschaftler:

Zugeordnete Forschungsprojekte

Beschreibung Titel
Laufzeit: 01.06.2015 bis 31.05.2018
Abteilung: LH2
Erweiterung der Wissensbasis zur Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks bei der Erschließung unkonventioneller Schiefergaslagerstätten (FracRisk)
Laufzeit: 01.05.2014 bis 01.05.2017
Abteilung: LH2
Development of efficient multi-scale multi-physics models accounting for reversible flow at various subsurface energy storage sites
Laufzeit: 01.02.2013 bis 31.12.2015
Abteilung: LH2
A volume-based conceptual approach for the analysis of hydraulic and geomechanical processes causing fault reactivation
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